JP7399279B2 - Integrated, modular motors or generators and small, modular pumps or turbines with coaxial fluid flow - Google Patents
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関連出願
本出願は、あらゆる目的のために全体が援用される、2019年10月30日に出願された米国出願第16/668,665号の利益を主張する。
RELATED APPLICATIONS This application claims the benefit of U.S. Application No. 16/668,665, filed October 30, 2019, which is incorporated by reference in its entirety for all purposes.
本発明は、ポンプおよびタービンに関し、さらに詳細には、一体型でシールレスのポンプおよびタービンに関する。 TECHNICAL FIELD This invention relates to pumps and turbines, and more particularly to integrated, sealless pumps and turbines.
ターボポンプおよびターボタービンは、物理的な設計が酷似していることが多いため、ポンプとタービンとの違いは、構造ではなく主に使用態様の問題になることがある。したがって、タービンまたはポンプに関して本明細書で考察する本発明の特徴および先行技術の特徴は、本文で特に明記しない限り、等しく両者を指すものと理解されたい。 Because turbopumps and turboturbines are often very similar in physical design, the difference between a pump and a turbine may be primarily a matter of usage rather than construction. Accordingly, inventive features and prior art features discussed herein with respect to turbines or pumps should be understood to refer equally to both, unless the text clearly indicates otherwise.
従来のターボポンプの設計では、流体の流れおよび圧力は、「回転翼」とも呼ばれるロータによって発生し、ロータは、据え付けのポンプのケーシング内で回転している。ロータを駆動するのに必要なトルクは、外部モータによってもたらされ、ポンプハウジング内で回転する回転シャフトを介してロータに伝達される。同様に、従来のタービン設計の場合、流体の流れと圧力はロータに適用される。ロータは、タービンの場合は「ランナー」とも呼ばれ、据え付けのタービンケーシング内でロータを回転させ、ロータによって発生した回転とトルクは、回転シャフトを介して外部発電機に伝達される。 In traditional turbo pump designs, fluid flow and pressure are generated by rotors, also called "rotor vanes," that rotate within a stationary pump casing. The torque required to drive the rotor is provided by an external motor and transmitted to the rotor via a rotating shaft that rotates within the pump housing. Similarly, in conventional turbine designs, fluid flow and pressure are applied to the rotor. The rotor, also called a "runner" in the case of a turbine, rotates the rotor within a stationary turbine casing, and the rotation and torque generated by the rotor is transmitted to an external generator via a rotating shaft.
これらの手法の難点の1つは、回転シャフトが据え付けのポンプまたはタービンのケーシングを貫通している場所で圧力境界を維持するために動的シールを使用する必要があるという点である。これらのシールは、漏れやその他の故障モードの原因である。また、振動の問題を回避するために、ポンプとモータまたはタービンと発電機とを取り付けて互いに同列になるようにするために、剛性のベースプレートが必要である。剛性のベースプレートを使用していても、ポンプまたはタービンにノズルの負荷がかかると、モータまたは発電機と機械的シールとの位置合わせに問題が生じるおそれがある。 One of the difficulties with these approaches is that they require the use of dynamic seals to maintain pressure boundaries where the rotating shaft passes through the casing of a stationary pump or turbine. These seals are susceptible to leaks and other failure modes. Also, a rigid base plate is required to mount the pump and motor or turbine and generator so that they are in line with each other to avoid vibration problems. Even with a rigid base plate, nozzle loads on the pump or turbine can cause alignment problems between the motor or generator and the mechanical seal.
これらの難点は、シャフトシールを含まない設計で回避される。例えば磁気カップリングドライブは、ポンプまたはタービンのシャフトに動的シールを必要としない。なぜなら、モータまたは発電機は、ハウジング内に位置する製品潤滑ベアリングで支持されている内部シャフトにポンプハウジングを介して磁気結合されるからである。ただし、これらの設計では、モータまたは発電機をロータシャフトにできる限り効率的に結合するために、モータまたは発電機とロータハウジングとを慎重に位置合わせする必要が依然としてある。また、磁気結合に使用する構成要素により、設計には複雑さとコストが加わる。 These difficulties are avoided in designs that do not include shaft seals. For example, magnetic coupling drives do not require dynamic seals on the pump or turbine shaft. This is because the motor or generator is magnetically coupled through the pump housing to an internal shaft supported on product lubricated bearings located within the housing. However, these designs still require careful alignment of the motor or generator and the rotor housing in order to couple the motor or generator to the rotor shaft as efficiently as possible. Additionally, the components used for magnetic coupling add complexity and cost to the design.
動的シャフトシールを完全に回避する別の手法は、一体型の設計を用いることであり、その場合、モータまたは発電機は、ロータと同じハウジング内に収まっているためシャフトシールは必要ない。このような一体型のいわゆる「シールレスモータ」または「シールレス発電機」の手法のいくつかは、放射状場のモータまたは発電機の設計を用いるものであり、それによって磁石は、ロータの外径またはその近くに装着され、ロータは、薄壁の「缶」の中にシールされ、シールされた缶の外側にある電磁ステータがロータを包囲している。ただし、放射状場の設計では、必然的にロータハウジングの直径および長さを大幅に長くする必要がある。一体型ポンプの設計に対する別の手法は、軸方向場のモータまたは発電機の設計を実装することであり、それによってディスクまたは「パンケーキ」状の永久磁石、ブラシレスDCモータまたは発電機がロータハウジング内に収まり、高出力密度を実現し、可能な限り最も小型で軽量な単段のポンプまたはタービンユニットができる。 Another approach to completely avoid dynamic shaft seals is to use a monolithic design, where the motor or generator is contained within the same housing as the rotor and no shaft seal is required. Some of these integrated so-called "sealless motor" or "sealless generator" approaches use a radial field motor or generator design, whereby the magnets are connected to the outside diameter of the rotor. Mounted at or near the rotor, the rotor is sealed within a thin-walled "can" and an electromagnetic stator outside the sealed can surrounds the rotor. However, radial field designs necessarily require significantly longer rotor housing diameters and lengths. Another approach to integral pump design is to implement an axial field motor or generator design, whereby a disk or "pancake" permanent magnet, brushless DC motor or generator is mounted on the rotor housing. This allows for high power densities and the smallest and lightest possible single-stage pump or turbine unit.
ただし、一体型のシールレスモータポンプまたはシールレス発電機タービンのモータまたは発電機のコイルを冷却することは困難なことがある。通常は、作動流体の一部を水面下のベアリングの溝にシャントし、かつ/またはモータまたは発電機のコイルから生じる熱を抽出するための別の適切な経路にシャントするために、ハウジング内に特別な流路を設ける必要がある。シャントされた作動流体は、ステータの壁からの対流によって加熱され、ステータから熱を持ち去って、シャントされていない作動流体とともに排出される。 However, cooling the motor or generator coils of an integrated sealless motor pump or sealless generator turbine can be difficult. Usually within the housing to shunt a portion of the working fluid into a submerged bearing groove and/or to another suitable path for extracting the heat generated from the motor or generator coils. Special flow channels must be provided. The shunted working fluid is heated by convection from the stator walls, carrying heat away from the stator and being discharged with the non-shunted working fluid.
残念ながら、シャントされた流体がステータの壁に隣接する通路、中空の回転シャフト、シャフトベアリング、および/またはその他の適切なチャネルを通る際に、流体の加熱および/または吐出圧力から吸引圧力へ移行することで起こる圧力低下が組み合わさることで相変化が起こる可能性がある。流体が気相に曝露された結果、モータ/発電機の過熱および/またはベアリングの故障を引き起こすおそれがある。さらに、ポンプ出力またはタービン入力の特定の一部を冷却流に転用するという要件は、必然的にポンプまたはタービンの効率を低下させる。 Unfortunately, as the shunted fluid passes through passages adjacent to the stator walls, hollow rotating shafts, shaft bearings, and/or other suitable channels, fluid heating and/or transitions from discharge pressure to suction pressure occur. The combination of pressure drop caused by this can lead to a phase change. Exposure of the fluid to the gas phase can result in motor/generator overheating and/or bearing failure. Furthermore, the requirement to divert a certain portion of the pump power or turbine input to cooling flow necessarily reduces the efficiency of the pump or turbine.
機械的に一体型のモータまたは発電機を含む本発明以前のポンプおよびタービンの別の欠点は、各ポンプまたはタービンの設計が、それに対応する一体型のモータまたは発電機の設計を必然的に必要としている点である。したがって、新しいポンプまたはタービンの設計を導入する時は、新しいモータまたは発電機のトルクおよび電気的要件が既存の設計と比較して変わらないままであってもその新しいモータまたは発電機の設計も導入しなければならない。また、このような複数のポンプまたはタービンを同時に製造し、かつ/またはサポートする必要がある場合は、別個のモータまたは発電機の設計のために、別々の製造および/または在庫を維持する必要がある。 Another disadvantage of pumps and turbines prior to the present invention that included mechanically integrated motors or generators was that each pump or turbine design necessarily required a corresponding integrated motor or generator design. This is the point. Therefore, when you introduce a new pump or turbine design, you also introduce a new motor or generator design, even though the torque and electrical requirements of the new motor or generator remain unchanged compared to the existing design. Must. Additionally, if multiple such pumps or turbines need to be manufactured and/or supported simultaneously, separate manufacturing and/or inventory must be maintained for separate motor or generator designs. be.
上記の問題に加えて、一体型のポンプおよびタービンと一体型ではないポンプおよびタービンの両方の設計にみられる別の一般的な問題が、新しい用途の要件を満たすために既存のポンプまたはタービンの設計の容量をどのように増大するかということであり、これには一般に、ロータの物理的な形状およびサイズを設計し直し、ロータを高速で動作させ、かつ/または別のロータを追加することが必要である。 In addition to the problems described above, another common problem found in both integrated and non-integrated pump and turbine designs is the need to modify existing pumps or turbines to meet new application requirements. How to increase the capacity of a design, typically by redesigning the physical shape and size of the rotor, making the rotor run faster, and/or adding another rotor. is necessary.
ポンプによって生じる全揚程は、ロータの直径とその回転速度によって決まるが、ある特定のロータの直径および速度に対する流量は、ロータの幅によって決定される。ある特定のロータの設計では、ロータの最高速度は、モータが発生させ得るトルクの量によって制限される。同じく回転速度も、モータを駆動するのに使用されるインバータの周波数限度と、ロータの入口で使用できるNPSH(正味吸込みヘッド)の両方によって制限される。 The total head produced by the pump is determined by the diameter of the rotor and its rotational speed, while the flow rate for a particular rotor diameter and speed is determined by the width of the rotor. For certain rotor designs, the maximum speed of the rotor is limited by the amount of torque that the motor can generate. The rotational speed is also limited both by the frequency limit of the inverter used to drive the motor and by the NPSH (net suction head) available at the inlet of the rotor.
同様に、発電機タービンの場合、発電機は、インバータまたは発電機に関連する他の制御電子機器を制御した状態で、回転磁石と発電機コイルとの間の電磁結合に従ってタービンロータに「負荷」をかける。それによって発電機の最大出力は、ロータが発電機に送出できる最大トルクに左右され、このトルクは、ある特定の流体の流れでは、ロータの直径および幅に左右される。 Similarly, in the case of a generator turbine, the generator "loads" the turbine rotor according to the electromagnetic coupling between the rotating magnets and the generator coils, under control of the inverter or other control electronics associated with the generator. multiply. The maximum output of the generator thereby depends on the maximum torque that the rotor can deliver to the generator, which for a given fluid flow depends on the diameter and width of the rotor.
したがって、ポンプまたはタービンの出力を増大させる1つの手法は、ロータのサイズと、モータまたは発電機の容量を増大させることである。ただし、この手法から生じる追加のサイズおよびかさばりは問題となるおそれがある。 Therefore, one approach to increasing the output of a pump or turbine is to increase the size of the rotor and the capacity of the motor or generator. However, the additional size and bulk resulting from this approach can be problematic.
ロータのケーシングおよびポンプまたはタービンの他の構成要素のサイズとかさばりは、流体圧力または発電機の出力が大きいことが求められる場合、直径の小さいロータを使用して高速で運転することによって低減することができる。ただし、ロータはモータまたは発電機の構成要素でもあるため、この手法は、シールレスモータまたは発電機の設計には有効ではない。特に、軸方向シールレス設計では、直径が小さいロータほど、永久磁石または誘導磁石を取り付けるのに利用できるディスク領域が小さくなり、それによってモータで発生させられ得るトルク、または発電機で生み出せる電力が制限される。別の制限は、様々な圧力および流量で送出できるシールレスモータの設計(磁気ロータおよび磁気ステータ)と、様々な圧力および流量で効率的に動作するシールレス発電機の設計を比較的利用できないことである。 The size and bulk of the rotor casing and other components of the pump or turbine may be reduced by using smaller diameter rotors and operating at higher speeds when higher fluid pressures or generator outputs are required. I can do it. However, this approach is not valid for sealless motor or generator designs because the rotor is also a component of the motor or generator. Particularly in axial sealless designs, smaller diameter rotors have less disk area available for mounting permanent or induction magnets, thereby limiting the torque that can be generated by a motor or the power that can be produced by a generator. be done. Another limitation is the relative unavailability of sealless motor designs (magnetic rotors and magnetic stators) that can deliver at a variety of pressures and flow rates and sealless generator designs that operate efficiently at a variety of pressures and flow rates. It is.
したがって、軸方向モータのシールレスポンプまたはタービンの場合、ロータがもたらすポンプヘッドまたはタービンの出力は、ロータの直径を大きくすることによってのみ増大させることができる。ただし、この手法では、大きい構成要素および高い流体圧力を収容するために大きく厚みのあるロータケーシングおよびその他の構造構成要素を使用する必要があるため、機器のかさが増す。 Therefore, in the case of axial motor sealless pumps or turbines, the power of the pump head or turbine provided by the rotor can only be increased by increasing the diameter of the rotor. However, this approach requires the use of large, thick rotor casings and other structural components to accommodate large components and high fluid pressures, thereby increasing the bulk of the equipment.
ロータの数を増やすことによって出力を高めることも、ポンプまたはタービンの設計にとって問題となるおそれがある。一体型ではない多段ポンプまたはタービンでは、単一の大きなモータが共通シャフトを介して複数のロータにトルクをもたらすか、単一の大きな発電機共通シャフトを介して複数のロータからトルクを受ける。この手法では通常、大きくかさばるモータまたは発電機が必要であり、さらに、ロータの段数が増すにつれてシャフトの直径を大きくし、長さを長くする必要があり、それによって全ロータのトルクと重量を合わせたものに適応できる。 Increasing power by increasing the number of rotors can also be problematic for pump or turbine design. In a non-integral multi-stage pump or turbine, a single large motor provides torque to multiple rotors through a common shaft, or receives torque from multiple rotors through a single large generator common shaft. This approach typically requires a large, bulky motor or generator, and as the number of rotor stages increases, the shaft diameter and length must increase, thereby balancing the torque and weight of all rotors. can adapt to different things.
水平配置で構成されていようと垂直配置で構成されていようと、ロータの段を複数有するこれらの長いシャフトは、大きなベアリングを必要とし、ベアリングが故障する可能性が増す。また、多段ポンプの長いシャフトは、シャフトのたわみおよび危険速度に関連する様々な回転力学上の問題を引き起こすおそれがある。これらの問題やその他の理由から、各々の多段ポンプ設計は、指定した最大段数のみに適用可能であり、様々な段数に対する要件に適応するように安易に規模を変更できるものではない。代わりに、既存の設計の規模を変更するには、通常新たなポンプまたはタービンの設計が必要になる。 Whether configured in a horizontal or vertical configuration, these long shafts with multiple rotor stages require large bearings, increasing the likelihood of bearing failure. Additionally, the long shafts of multi-stage pumps can cause various rotational dynamics problems related to shaft deflection and critical speeds. For these and other reasons, each multi-stage pump design is applicable only to a specified maximum number of stages and cannot be easily scaled to accommodate requirements for different number of stages. Instead, scaling an existing design typically requires a new pump or turbine design.
さらに、細長いシャフト、多段の手法では、全ロータが同一速度で回転する必要があり、これによって設計の効率および/またはNPSH(正味吸込みヘッド)の性能が制限されるおそれがある。また、多段ポンプのいずれか1段が故障すると、ポンプまたはタービン全体が即座に完全に故障してしまう。 Additionally, the elongated shaft, multi-stage approach requires all rotors to rotate at the same speed, which can limit design efficiency and/or NPSH (net suction head) performance. Also, failure of any one stage of a multi-stage pump immediately causes complete failure of the entire pump or turbine.
当然ながら、多段で一体型または一体型ではないポンプまたはタービンを設計し実装する1つの代替案は、単に、複数の単段ポンプまたはタービンを直列および/または並列に相互接続することである。ポンプの場合、直列の各ポンプの出力は次のポンプの入力になり、これによって圧力がさらに上昇するが、並列に構成されたポンプの出力は合算されて出力流量が増加する。タービンの場合、流体は直列か並列のいずれかでロータを通って流れ、タービン発電機の電気出力は、直列および/または並列で合算されて、電圧および/または電流の総出力が高くなる。 Of course, one alternative to designing and implementing multi-stage integral or non-integral pumps or turbines is simply to interconnect multiple single stage pumps or turbines in series and/or parallel. In the case of pumps, the output of each pump in series becomes the input of the next pump, which further increases the pressure, while the outputs of pumps configured in parallel add together to increase the output flow rate. In the case of a turbine, fluid flows through the rotor either in series or in parallel, and the electrical output of the turbine generators is summed in series and/or in parallel to increase the total output of voltage and/or current.
ただし、複数のポンプまたはタービンを多段装置に組み合わせるというこの手法では、かさばる複雑な流体相互接続またはマニホールドを使用する必要があり、その結果、過度のスペースが消費される。また、ポンプまたはタービンの数が増えるにつれて、ホースおよび/または他の流体接続の数が増え、それに伴い漏れおよび/または他の故障モードの機会が増えるため、装置の信頼性が低下する。 However, this approach of combining multiple pumps or turbines into a multi-stage device requires the use of bulky and complex fluidic interconnects or manifolds, resulting in excessive space consumption. Also, as the number of pumps or turbines increases, the reliability of the equipment decreases due to the increased number of hoses and/or other fluid connections and the associated increased opportunities for leaks and/or other failure modes.
シールレスディスクモータポンプは、共通のハウジング内に2つ以上のモータを含む可能性があることが示唆されている。ただし、シールレスディスクモータの設計の流体相互接続要件およびモータ/発電機の冷却要件は、この手法を最大で2段階のみに制限する傾向がある。 It has been suggested that sealless disc motor pumps may include two or more motors within a common housing. However, the fluid interconnection requirements and motor/generator cooling requirements of sealless disc motor designs tend to limit this approach to only two stages at most.
例えば、図1を参照すると、提案した1つの手法は、単一のシールレスモータ設計100内に2つの遠心ポンプ段を含み、それにより各段は、それ自体のモータ102で駆動され、2つの段は背中合わせに配置され、それによって2つのモータ102は、ケーシング112内の共通の中央スペース内に含まれ、共通のプロセス流路104によって冷却されることが可能である。図1に示した例では、2つのロータ106は反対方向を向き、各ロータは、背面に装着された永久磁石110を含む。
For example, referring to FIG. 1, one proposed approach includes two centrifugal pump stages within a single
この手法のいくつかのバージョンでは、モータ102は、別個の可変周波数ドライブ(「VFD」)114によって制御され、各々のロータ106は、別個の固定シャフト108の周りに回転する。他のバージョンでは、モータは、共通のコントローラおよび/またはシャフトを共有する。2つのモータ102を同じ容積内に配置することにより、この手法での冷却経路104は、単段一体型モータの設計の冷却経路よりもわずかに複雑なだけであり、流れが冷却経路へ迂回することによる効率の損失が最小に抑えられる。ただし、この手法は、その性質上2段のみに制限され、2段の制限を超えて設計を拡張する明確な手法はない。
In some versions of this approach,
したがって、必要なのは、小型でモジュール式である一体型の「シールレス」ポンプまたはシールレスタービンの設計であり、それによってポンプまたはタービンモジュールを3つ以上、好ましくは任意の大きな数まで、その間をかさばる流体相互接続なしに直列に組み合わせることができる。実施形態でさらに好ましいことは、各モジュール内のモータまたは発電機を冷却するためのプロセス流体が、主要流路からほとんど反れないかまったく反れないこと、モジュールのロータが別々に回転すること、および/またはモジュールのモータ/発電機を別々に制御できることである。またさらに望ましいことは、ポンプまたはタービンのモジュールと一体型のモータまたは発電機は、それ自体もモジュール式とすべきことであり、それによって、同じモータまたは発電機の設計を異なるポンプまたはタービンの設計に組み入れることが可能になる。 What is needed, therefore, is an integrated "sealless" pump or sealless turbine design that is compact and modular, allowing the bulk of the space between three or more pump or turbine modules, and preferably up to an arbitrarily large number. Can be combined in series without fluidic interconnections. It is further preferred in embodiments that the process fluid for cooling the motor or generator in each module has little or no deflection from the main flow path, that the rotors of the modules rotate independently, and/or Or the module's motor/generator can be controlled separately. It is also desirable that motors or generators that are integrated with pump or turbine modules should themselves be modular, so that the same motor or generator design can be used with different pump or turbine designs. It becomes possible to incorporate it into
本発明は、流れが「同心」となる設計である極めて小型のモジュールとして構成されている「シールレス」モータポンプまたはシールレス発電機タービンである。開示したモジュール式の設計により、ポンプまたはタービンモジュールを3つ以上、好ましくは任意の大きな数まで、各モジュールのロータがそれ自体のシャフトまたはその他の支持体で別々に回転している状態で、その間をかさばる流体相互接続なしに直列に組み合わせることができる。実施形態では、各モジュール内のモータまたは発電機を冷却するためのプロセス流体が、主要流路からほとんど反れないかまったく反れない。様々な実施形態では、モジュールモータまたは発電機のロータは、別個に制御可能である。そして実施形態では、ポンプまたはタービンモジュールと一体型のモータまたは発電機は、それ自体がモジュール式であるため、同じモータまたは発電機の設計を異なるポンプまたはタービンの設計に組み入れることが可能になる。 The present invention is a "sealless" motor pump or sealless generator turbine constructed as a very compact module with a flow "concentric" design. The disclosed modular design allows for the installation of three or more pump or turbine modules, preferably up to any large number, with each module's rotor rotating separately on its own shaft or other support. can be combined in series without bulky fluidic interconnections. In embodiments, the process fluid for cooling the motor or generator within each module has little or no deflection from the main flow path. In various embodiments, the rotor of the module motor or generator is separately controllable. And in embodiments, the motor or generator integrated with the pump or turbine module is itself modular, allowing the same motor or generator design to be incorporated into different pump or turbine designs.
本発明によれば、モータまたは発電機のコイルハウジング、すなわちステータハウジングは、モジュールの外側のハウジング、すなわちモジュールハウジングによって同心状態で囲まれ、それによって両者の間に、モータまたは発電機コイルを取り囲みモータまたは発電機の主軸を中心とする環状空間ができる。作動流体は、モジュールを軸方向に入り、実質的に主軸に沿って位置している近位入口を通り、モジュールから、同じく実質的に主軸に沿って位置している遠位出口を通って軸方向に排出される。モジュール内で、作動流体は、ステータハウジングの周りに沿って対称に配置された実質的に同じ複数の流路、またはステータハウジングを取り囲んでいる単一の環状流路を通って、モータまたは発電機コイルを取り囲んでいるステータハウジングを対称に流れていく。モータまたは発電機コイルを取り囲む領域に流路が対称に分布していることで、モジュールハウジングの直径がモータまたは発電機のステータハウジングよりも適度に大きいだけの小型の設計になる。 According to the invention, the coil housing of the motor or generator, i.e. the stator housing, is concentrically surrounded by the outer housing of the module, i.e. the module housing, thereby enclosing the motor or generator coils between them and the motor. Alternatively, an annular space centered around the main shaft of the generator is created. The working fluid enters the module axially through a proximal inlet located substantially along the major axis, and from the module through a distal outlet also located substantially along the major axis. ejected in the direction. Within the module, the working fluid is routed through a plurality of substantially identical flow paths symmetrically arranged around the stator housing, or through a single annular flow path surrounding the stator housing, to the motor or generator. It flows symmetrically through the stator housing surrounding the coil. The symmetrical distribution of the flow channels in the area surrounding the motor or generator coils results in a compact design in which the diameter of the module housing is only moderately larger than the stator housing of the motor or generator.
比較的低温の作動流体を用いて使用するのに適している様々な実施形態では、複数の流路または単一の環状流路は、モータまたは発電機コイルのハウジングと直接熱接触していて、それによってモータまたは発電機コイルを直接冷却する。これらの実施形態のいくつかでは、作動流体の80%より多くがモータまたは発電機のコイルハウジングと熱接触し、モータまたは発電機のコイルハウジングの少なくとも20%が作動流体と熱接触している。様々な実施形態では、作動流体の90%より多くがモータまたは発電機のコイルハウジングと熱接触し、モータまたは発電機のコイルハウジング表面の少なくとも50%が作動流体と熱接触している。 In various embodiments suitable for use with relatively low temperature working fluids, the plurality of channels or the single annular channel is in direct thermal contact with the housing of the motor or generator coil; Thereby directly cooling the motor or generator coils. In some of these embodiments, more than 80% of the working fluid is in thermal contact with the motor or generator coil housing, and at least 20% of the motor or generator coil housing is in thermal contact with the working fluid. In various embodiments, more than 90% of the working fluid is in thermal contact with the motor or generator coil housing, and at least 50% of the motor or generator coil housing surface is in thermal contact with the working fluid.
高温の作動流体を用いて使用するのに適している多段の実施形態では、複数の実質的に同じ流路の各々とモータまたは発電機コイルのハウジングとの間に断熱材が設けられる。これらの実施形態のいくつかでは、モータまたは発電機コイルハウジングの周りの環状空間に冷却流体が流れ、その結果、冷却流体はモータまたは発電機コイルのハウジングと直接接触し、それによってモータまたは発電機コイルを冷却し、高温の作動流体による残余の加熱から保護する。 In multi-stage embodiments suitable for use with high temperature working fluids, insulation is provided between each of the plurality of substantially identical flow paths and the housing of the motor or generator coil. In some of these embodiments, cooling fluid flows in an annular space around the motor or generator coil housing such that the cooling fluid is in direct contact with the motor or generator coil housing, thereby Cools the coil and protects it from residual heating by the hot working fluid.
高温の作動流体が単一の環状流路を流れるという他の実施形態では、環状流路とモータまたは発電機コイルのハウジングとの間に断熱材が設けられ、これらの実施形態のいくつかでは、断熱材の下に設けられた冷却環または冷却路を通って別個の冷却流体が流れる。 In other embodiments where the hot working fluid flows through a single annular channel, insulation is provided between the annular channel and the motor or generator coil housing, and in some of these embodiments, A separate cooling fluid flows through a cooling ring or channel provided below the insulation.
実施形態では、本発明の同心設計は、各段がロータと関連するモータまたは発電機の両方を含む多段のポンプまたはタービンを形成するために、単独または複数の同じモジュールと直列で使用できる極めて小型のモジュールとして実現される。このモジュール式の設計により、装置の設計、操作、およびメンテナンスに余計な複雑さや煩雑さが加わることなく、モジュールを任意の段数で組み合わせることが可能になる。特に、各モジュールのロータは、専用のシャフトまたはその他の支持体で支持されているため、段数が多くても、シャフトのサイズ、シャフトのたわみ、回転力学、ベアリングの負荷、モータの並び、または段どうしの並びに関していかなる問題も生じない。 In embodiments, the concentric design of the present invention provides an extremely compact design that can be used in series with one or more identical modules to form a multi-stage pump or turbine, each stage containing both a rotor and an associated motor or generator. It is realized as a module. This modular design allows modules to be combined in any number of stages without adding additional complexity or complexity to the design, operation, and maintenance of the device. In particular, each module's rotor is supported by a dedicated shaft or other support, so even if the number of stages is large, shaft size, shaft deflection, rotational dynamics, bearing loads, motor alignment, or stage There are no problems with their alignment.
いくつかの実施形態では、各モジュールのロータは、回転シャフトに固定されている。他の実施形態では、各モジュールのシャフトは固定され、ロータは、シャフトの周り、例えばベアリング上を回転する。例えば、各モジュールのシャフトは、ロータのハブを通って挿入され、モジュールハウジングにねじ締めされることが可能で、特別な工具がなくても簡単に組み立ておよびメンテナンスがしやすくなる。 In some embodiments, the rotor of each module is fixed to a rotating shaft. In other embodiments, the shaft of each module is fixed and the rotor rotates about the shaft, for example on bearings. For example, the shaft of each module can be inserted through the hub of the rotor and screwed into the module housing, facilitating easy assembly and maintenance without special tools.
特定の実施形態は、ロータとステータの構成が逆になっているモジュールを含み、それにより、ロータとステータの両方が互いに独立して反対方向に回転できる。いくつかの実施形態は、個別に回転するステータおよび/またはディフューザを含む。これらの実施形態のいくつかでは、ディフューザは、米国特許出願第15/101,460号の開示と同様の方法で実現され、同文献を参照してその全容をあらゆる目的のために本願に援用する。 Certain embodiments include modules in which the rotor and stator configurations are reversed, such that both the rotor and stator can rotate in opposite directions independently of each other. Some embodiments include individually rotating stators and/or diffusers. In some of these embodiments, the diffuser is implemented in a manner similar to the disclosure of U.S. patent application Ser. No. 15/101,460, which is incorporated herein by reference in its entirety for all purposes. .
さらに他の実施形態では、開示したモジュールは、シャフトを含んでいない。代わりに、ロータの前方の摩耗リングの隙間が径方向および軸方向の主要ベアリングとして作用する。これにより、トルクがモータの電磁石ステータコイルからロータに直接伝達されるか、電磁エネルギーがロータから発電機に伝達され、回転シャフトを使用することはない。 In yet other embodiments, the disclosed module does not include a shaft. Instead, the wear ring gap in front of the rotor acts as the primary radial and axial bearing. This either transfers torque directly from the motor's electromagnetic stator coil to the rotor, or transfers electromagnetic energy from the rotor to the generator, without using a rotating shaft.
いくつかの実施形態では、開示したポンプまたはタービンのモジュールは、径方向のモータまたは発電機の設計を含み、それによって複数の永久磁石がロータの周またはその近くに装着され、ロータは、電磁石ステータに取り囲まれる。他の実施形態では、開示したモジュールは、軸方向の「ディスク」または「パンケーキ」状のモータまたは発電機を含み、それによって複数の永久磁石はロータの後ろ側に装着され、ロータが回転すると、軸方向に隣接するステータの電磁石コイルの近くを通過する。永久磁石のモータまたは発電機を含むいくつかの実施形態は、モジュールの同期動作速度が3600rpmより上に上昇することを可能にする可変速度ドライブをさらに含む。 In some embodiments, the disclosed pump or turbine module includes a radial motor or generator design whereby a plurality of permanent magnets are mounted at or near the circumference of a rotor, and the rotor is connected to an electromagnetic stator. surrounded by. In other embodiments, the disclosed module includes an axial "disk" or "pancake" shaped motor or generator, whereby a plurality of permanent magnets are mounted behind the rotor and as the rotor rotates. , passing close to the electromagnetic coils of the axially adjacent stators. Some embodiments that include a permanent magnet motor or generator further include a variable speed drive that allows the synchronous operating speed of the module to increase above 3600 rpm.
他の実施形態は、ポンプまたはタービンの動作中にステータの電磁石によって電流が誘導される「かご形」ロータコイルなどの非永久磁石を利用する誘導モータまたは誘導発電機を含む。 Other embodiments include induction motors or induction generators that utilize non-permanent magnets, such as "squirrel-cage" rotor coils, in which current is induced by stator electromagnets during pump or turbine operation.
実施形態では、モータまたは発電機のコイルは、静的なシール方法を用いて作動流体からシールされ、それによって動的な機械的シールの必要性がなくなり、そうしなければそこから生じるであろう位置合わせ、漏れ、および/またはメンテナンスの問題を回避する。 In embodiments, the motor or generator coils are sealed from the working fluid using a static sealing method, thereby eliminating the need for dynamic mechanical seals that would otherwise result from Avoid alignment, leakage, and/or maintenance problems.
遠心設計を有する様々な実施形態は、半径流ロータを含む。これらの実施形態のいくつかは、特定の速度が最大約2000USユニット、4000USユニット、さらには5000USユニットであるロータを含む。他の実施形態は、半径磁束のモータまたは発電機の設計であり、かつより高い特定速度の混合流ロータの設計である段を含む。 Various embodiments with centrifugal designs include radial flow rotors. Some of these embodiments include rotors with specific speeds up to about 2000 US units, 4000 US units, or even 5000 US units. Other embodiments include stages that are radial flux motor or generator designs and higher specific speed mixed flow rotor designs.
実施形態では、ロータは、各々のモジュール式段に設けられた製品潤滑ベアリングによって軸方向および径方向に配置され、これにより、各段のベアリングは、その段からの負荷のみに対処するように設計することができる。この手法で、多段配置で段の負荷が合算されることによるベアリングへの過負荷のリスクが完全になくなり、特大のベアリングを使用する必要がないため、より小型の設計になる。実施形態においてベアリングの潤滑剤として作動流体を使用することで、外部の油潤滑システムの必要性もなくなり、ポンプ設計全体が大幅に簡易化する。実施形態では、別個の軸方向ベアリングと径方向ベアリングの代わりに、径方向ベアリングと一方向スラストベアリングを組み合わせたものを使用する。 In embodiments, the rotor is arranged axially and radially with product lubricated bearings in each modular stage, such that the bearings in each stage are designed to handle loads only from that stage. can do. This approach completely eliminates the risk of overloading the bearings due to the combined stage loads in a multi-stage arrangement, and results in a more compact design since there is no need to use oversized bearings. Using the working fluid as a bearing lubricant in embodiments also eliminates the need for an external oil lubrication system, greatly simplifying the overall pump design. Embodiments use a combination of radial and unidirectional thrust bearings instead of separate axial and radial bearings.
様々な実施形態では、多段装置のモータまたは発電機は、別個に制御可能である。実施形態は、複数の可変周波数ドライブ(VFD)を含み、これらの実施形態のいくつかでは、各段のモータまたは発電機は、専用のVFDによって独立して制御される。これらの実施形態のいくつかで重要な利点の1つは、低い正味吸込みヘッド(「NPSH」)およびオフピーク状態に対応するために、第1の段が装置のそれ以外の部分よりも低速で実行できることである。いくつかの用途では、最終段のみの速度を変更することが、出力の圧力および/または流れを正確に制御するのに有用な手法となる。 In various embodiments, the motors or generators of the multi-stage device are separately controllable. Embodiments include multiple variable frequency drives (VFDs), and in some of these embodiments, each stage motor or generator is independently controlled by a dedicated VFD. One important advantage of some of these embodiments is that the first stage runs slower than the rest of the equipment to accommodate low net suction head ("NPSH") and off-peak conditions. It is possible. In some applications, varying the speed of only the last stage can be a useful technique to precisely control output pressure and/or flow.
各段に個別のVFDドライブを設けることは、フェイルセーフの冗長性としての役割を果たすこともでき、それによって、1つの段が故障しても残りは動作し続け、装置は機能し続ける。ポンプまたはタービンの段が故障した後に継続する機能は、揚程および流量が少ないことがあるか、故障した段の揚程および流量の損失を補償するために残りの段の速度を上げることができる。この手法では、オペレータが段の故障に気付いた後にシステムを安全に運転停止する時間ができるまで、可能性として少ない揚程および流量でポンプまたはタービンが作動し続けるという故障シナリオを作成する。それとは対照的に、従来のポンプまたはタービンの1つの段が故障すると、装置全体が故障し、パフォーマンスが完全に失われ、システムが突然制御不能な状態で運転停止する。適切なVFDと共にセンサレスモータを使用することで、様々な実施形態の各段に対して計装の要件も少なくなる。 Providing individual VFD drives for each stage can also serve as fail-safe redundancy, so that if one stage fails, the rest will continue to operate and the device will continue to function. Continuing function after a pump or turbine stage fails may have less head and flow, or the speed of the remaining stages may be increased to compensate for the loss of head and flow of the failed stage. This approach creates a failure scenario in which the pump or turbine continues to operate at potentially reduced head and flow until the operator has time to safely shut down the system after noticing a stage failure. In contrast, when one stage of a conventional pump or turbine fails, the entire device fails, resulting in a complete loss of performance and a sudden and uncontrollable shutdown of the system. The use of sensorless motors with appropriate VFDs also reduces instrumentation requirements for each stage of various embodiments.
様々な実施形態では、各モジュールに含まれているモータまたは発電機は、設計がモジュール式で、ある特定のモータまたは発電機の設計を複数の異なるポンプまたはタービンの設計に組み入れることができる。特に、モータまたは発電機に含まれている複数の永久磁石または他の磁気デバイスは、ポンプまたはタービンのロータと協働するように軸方向と回転方向に拘束できる取り外し可能なモジュール式の磁石構造体に含まれる。磁石構造体を軸方向および回転方向に拘束することは、磁石構造体をロータに対して軸方向と回転方向の両方で拘束することができる先行技術で公知のなんらかの手段によって可能である。実施形態は、磁石構造体と、磁石構造体をロータに回転式に固定する1つ以上のピンとを軸方向に拘束するスナップリングを含む。他の実施形態は、磁石構造をロータにねじ込む装着部品、またはねじもしくはボルトによる装着部品を含み、それによって磁石構造体は、軸方向と回転方向の両方に拘束される。これらの実施形態のいくつかは、ステータとポンプまたはタービンの外部環境との間に電気リードおよび/または制御線が延在する通路ができるように、モータまたは発電機ハウジングとポンプまたはタービンハウジングとの間にシールされている導管を形成できる電気ポートをさらに有する。 In various embodiments, the motors or generators included in each module are modular in design, such that a particular motor or generator design can be incorporated into multiple different pump or turbine designs. In particular, multiple permanent magnets or other magnetic devices contained in a motor or generator can be assembled into removable, modular magnet structures that can be axially and rotationally constrained to cooperate with the rotor of a pump or turbine. include. The axial and rotational restraint of the magnet structure is possible by any means known in the prior art that allows the magnet structure to be both axially and rotationally restrained relative to the rotor. Embodiments include a snap ring that axially constrains the magnet structure and one or more pins that rotationally secure the magnet structure to the rotor. Other embodiments include mounting components that thread the magnet structure onto the rotor, or screw or bolt mounting components, thereby constraining the magnet structure both axially and rotationally. Some of these embodiments include a connection between the motor or generator housing and the pump or turbine housing such that there is a passageway for electrical leads and/or control lines to extend between the stator and the external environment of the pump or turbine. It further has an electrical port capable of forming a sealed conduit therebetween.
実施形態では、ステータコイルが入っているモータまたはタービンの磁石構造体および/またはステータ部分は、モジュール式であり、完全にシールされているため、互いに近いポンプまたはタービンのハウジングに機械的に装着する必要があるだけである。様々な実施形態では、本発明のシールされているモジュール式の磁石構造体および/またはシールされているモジュール式のステータアセンブリは、異なる組み合わせで実現でき、新しいポンプまたはタービンモジュールを設計するたびに磁石構造体および/またはステータアセンブリの新たな具体例を構成する必要がなくなる。 In embodiments, the magnet structure and/or stator portion of the motor or turbine containing the stator coils are modular and fully sealed so that they mechanically attach to the housing of the pump or turbine in close proximity to each other. There is only a need. In various embodiments, the sealed modular magnet structures and/or sealed modular stator assemblies of the present invention can be realized in different combinations, with each new pump or turbine module being designed There is no need to construct new implementations of structures and/or stator assemblies.
本発明の第1の概括的態様は、一体型のモータまたは発電機を有するシールレスポンプまたはタービンモジュールである。モジュールは、モジュールの近位端に位置する入口であって、モジュールの中心軸にある入口と、モジュールの遠位端に位置する出口であって、モジュールの中心軸にある出口と、モジュールを取り囲むモジュールハウジングと、モジュールハウジング内に懸架されたロータと、ロータの回転を駆動するように構成されたモジュールハウジング内のモータ、またはロータの回転によって駆動されるように構成されたモジュールハウジング内の発電機とを含む。 A first general aspect of the invention is a sealless pump or turbine module with an integrated motor or generator. The module includes an inlet located at the proximal end of the module, the inlet being at the central axis of the module, an outlet located at the distal end of the module, the outlet being at the central axis of the module, and surrounding the module. a module housing, a rotor suspended within the module housing, and a motor within the module housing configured to drive rotation of the rotor, or a generator within the module housing configured to be driven by rotation of the rotor. including.
モータまたは発電機は、シールされているステータハウジング内のステータであって、ステータは、ロータの方を向いた少なくとも1つの電磁石を有し、前記ステータハウジングは、モジュールハウジングに対して取り外し可能に、軸方向に、径方向に、回転式に固定される、ステータと、電気ポートであって、ステータハウジングに形成され、ステータハウジングがモジュールハウジングに固定されるときにモジュールハウジングと共にシールを形成するように構成され、電気ポートは、シールされている通路となり、この通路を通して導電体を、少なくとも1つの電磁石とモジュールハウジングの外部の装置との間を相互接続するために誘導できる、電気ポートと、磁石構造体に組み立てられた複数の磁気デバイスであって、軸方向に固定され、ロータと回転式に協働するために取り外し可能に拘束され、磁気デバイスは、ロータが回転すると磁石構造体によって少なくとも1つの電磁石の近くを通るように構成される、磁気デバイスと、ステータハウジングの周りに対称に分布する流路とを有する。 The motor or generator includes a stator within a sealed stator housing, the stator having at least one electromagnet facing the rotor, the stator housing being removable relative to the module housing; an axially, radially, and rotationally secured stator and an electrical port formed in the stator housing to form a seal with the module housing when the stator housing is secured to the module housing; an electrical port configured to provide a sealed passageway through which an electrical conductor can be directed for interconnection between the at least one electromagnet and a device external to the module housing; a plurality of magnetic devices assembled to the body, the magnetic devices being axially fixed and removably restrained for rotational cooperation with the rotor, the magnetic devices being configured to rotate the at least one magnetic device by the magnetic structure as the rotor rotates; The magnetic device has a magnetic device configured to pass near the electromagnet and a flow path symmetrically distributed around the stator housing.
さらに、モジュールは、作動流体が流路内でステータを流れていくときにステータハウジングの周りに対称に分散されるように、作動流体の流れを入口から流路を経て出口へ誘導するように構成される。 Additionally, the module is configured to direct the flow of working fluid from the inlet through the flow path to the outlet such that the working fluid is distributed symmetrically around the stator housing as it flows through the stator in the flow path. be done.
実施形態では、流路は、ステータハウジングを取り囲む環状流路である。 In embodiments, the flow path is an annular flow path surrounding the stator housing.
上記の実施形態のいずれでも、流路は、ステータハウジングの周りに対称に配置された複数の流路を含むことができる。 In any of the above embodiments, the flow path may include a plurality of flow paths symmetrically arranged around the stator housing.
上記の実施形態のいずれでも、ロータは、回転シャフトによって懸架することができるか、ロータは、シャフトに固定することができるか、またはロータは、固定シャフトによって懸架されることができ、かつロータは、シャフトの周りを回転するように構成することができる。 In any of the above embodiments, the rotor can be suspended by a rotating shaft, the rotor can be fixed to the shaft, or the rotor can be suspended by a fixed shaft, and the rotor can be , can be configured to rotate about a shaft.
ロータが固定シャフトによって懸架され、ロータがシャフトの周りを回転するように構成されている実施形態では、ロータは、一対のベアリングによって固定シャフト上で支持されることができ、一方のベアリングがロータを軸方向の位置に保持し、もう一方のベアリングがロータを径方向に支持するか、あるいはロータは、単一の一方向スラストベアリングによって固定シャフト上で軸方向と径方向に支持することができる。これらの実施形態のいずれでも、ロータは、プロセス流体によって潤滑される少なくとも1つのベアリングによって固定シャフト上に支持することができる。これらの実施形態のいずれでも、固定シャフトは、ねじ付きの装着部品によって、ステータハウジングとモジュールハウジングの少なくとも一方に固定することができる。 In embodiments where the rotor is suspended by a fixed shaft and the rotor is configured to rotate about the shaft, the rotor can be supported on the fixed shaft by a pair of bearings, one bearing supporting the rotor. Alternatively, the rotor can be supported axially and radially on a fixed shaft by a single one-way thrust bearing. In any of these embodiments, the rotor may be supported on a fixed shaft by at least one bearing that is lubricated by a process fluid. In any of these embodiments, the fixed shaft may be fixed to at least one of the stator housing and the module housing by means of a threaded attachment piece.
上記の実施形態のいずれでも、磁気デバイスは、永久磁石、またはかご形コイルとすることができる。 In any of the above embodiments, the magnetic device may be a permanent magnet or a squirrel cage coil.
上記の実施形態のいずれでも、流路は、ステータハウジングの表面の少なくとも50%以上に及ぶことができ、モジュールを通って入口から出口へ流れる作動流体の少なくとも90%は、ステータハウジングと直接熱接触した状態で流れるようにされる。 In any of the above embodiments, the flow path may span at least 50% or more of the surface of the stator housing such that at least 90% of the working fluid flowing through the module from inlet to outlet is in direct thermal contact with the stator housing. It is made to flow in a state of
上記の実施形態のいずれでも、モジュールは、入口から出口へ流れる作動流体がすべて流路を通って流れることを求めるように構成することができる。 In any of the above embodiments, the module may be configured to require that all working fluid flowing from the inlet to the outlet flow through the flow path.
上記の実施形態のいずれも、流路とステータハウジングとの間に挟まれた断熱材、および断熱材とステータハウジングとの間に形成された冷却流体経路をさらに含むことができ、冷却流体経路は、ステータハウジングと熱連通し、ステータハウジングと冷却流体経路を流れる冷却流体との間で熱交換が可能なように構成される。 Any of the above embodiments may further include insulation sandwiched between the flow path and the stator housing, and a cooling fluid path formed between the insulation and the stator housing, the cooling fluid path being , is configured to be in thermal communication with the stator housing and to enable heat exchange between the stator housing and the cooling fluid flowing through the cooling fluid path.
上記の実施形態のいずれでも、ステータは、ロータとは独立して、ロータの回転方向とは反対方向に回転するように構成できる。 In any of the above embodiments, the stator may be configured to rotate independently of the rotor and in a direction opposite to the direction of rotation of the rotor.
上記の実施形態のいずれも、ロータと協働するが別個のディフューザモータによって駆動されるためにロータとは独立して回転することが可能なディフューザをさらに含むことができる。 Any of the above embodiments may further include a diffuser that cooperates with the rotor but is capable of rotating independently of the rotor because it is driven by a separate diffuser motor.
上記の実施形態のいずれでも、ステータの電磁石は、ロータの径方向の周の方を向くことができ、磁気デバイスは、ロータの径方向の周の近くに固定することができる。あるいはステータの電磁石は、ロータの側面の方を向くことができ、磁気デバイスは、ロータの側面、またはロータの側面と同軸で近位にあるディスクに固定することができる。 In any of the above embodiments, the stator electromagnets may be oriented toward the radial circumference of the rotor, and the magnetic devices may be fixed near the radial circumference of the rotor. Alternatively, the stator electromagnets can face towards the side of the rotor and the magnetic device can be fixed to the side of the rotor or to a disk coaxial and proximal to the side of the rotor.
そして上記の実施形態のいずれでも、磁石構造体はシールされることが可能で、それによって作動流体が磁気デバイスに到達しないようにする。 And in any of the above embodiments, the magnet structure can be sealed, thereby preventing working fluid from reaching the magnetic device.
本発明の第2の包括的態様は、複数の相互接続したモジュールを含む多段装置である。各々のモジュールは、モジュールの近位端に位置する入口であって、モジュールの中心軸にある入口と、モジュールの遠位端に位置する出口であって、モジュールの中心軸にある出口と、モジュールを取り囲むモジュールハウジングと、モジュールハウジング内に懸架されたロータとを含む。 A second general aspect of the invention is a multi-stage device that includes a plurality of interconnected modules. Each module has an inlet located at the proximal end of the module, the inlet being at the central axis of the module, an outlet located at the distal end of the module, the outlet being at the central axis of the module; and a rotor suspended within the module housing.
各々のモジュールは、ロータの回転を駆動するように構成されたモジュールハウジング内のモータ、またはロータの回転によって駆動されるように構成されたモジュールハウジング内の発電機をさらに含む。モータまたは発電機は、シールされているステータハウジング内のステータであって、ロータに向けられている少なくとも1つの電磁石を有するステータと、前記ステータハウジングは、モジュールハウジングに対して取り外し可能に、軸方向に、径方向に、回転式に固定でき、ステータハウジングに形成され、ステータハウジングがモジュールハウジングに固定されるときにモジュールハウジングと共にシールを形成するように構成されている電気ポートと、電気ポートは、シールされた通路を提供し、この通路を通して導電体を、少なくとも1つの電磁石とモジュールハウジングの外部の装置との間を相互接続可能であり、軸方向に固定され、ロータと回転式に協働するために取り外し可能に拘束されている磁石構造体に組み立てられた複数の磁気デバイスであって、ロータが回転すると磁石構造体によって少なくとも1つの電磁石の近くを通るように構成されている磁気デバイスと、ステータハウジングの周りに対称に分配されている流路とを有する。 Each module further includes a motor within the module housing configured to drive rotation of the rotor or a generator within the module housing configured to be driven by rotation of the rotor. The motor or generator includes a stator within a sealed stator housing, the stator having at least one electromagnet directed toward the rotor, the stator housing being removably axially oriented with respect to the module housing. an electrical port formed in the stator housing and configured to form a seal with the module housing when the stator housing is secured to the module housing; providing a sealed passageway through which an electrical conductor can be interconnected between the at least one electromagnet and a device external to the module housing, axially fixed and rotatably cooperating with the rotor; a plurality of magnetic devices assembled to a magnetic structure removably restrained for a rotor, the magnetic devices being configured to pass close to the at least one electromagnet by the magnetic structure as the rotor rotates; and flow passages that are symmetrically distributed around the stator housing.
さらに、各々のモジュールは、作動流体が流路内でステータを流れ去るとステータハウジングの周りに対称に分散されるように、作動流体の流れを入口から流路を経て出口へ誘導するように構成されている。 Additionally, each module is configured to direct the flow of working fluid from the inlet through the flow path to the outlet such that the working fluid is distributed symmetrically around the stator housing as it flows past the stator within the flow path. has been done.
この包括的態様の実施形態では、モジュールのモータまたは発電機のうちの少なくとも2つは、対応するロータを別々の速度で回転させるように、独立して制御され得る。そしてこれらの実施形態のいくつかでは、独立して制御される2つのモータまたは発電機は、別個の可変周波数ドライブによって制御される。 In embodiments of this general aspect, at least two of the module's motors or generators may be independently controlled to rotate corresponding rotors at separate speeds. And in some of these embodiments, the two independently controlled motors or generators are controlled by separate variable frequency drives.
この概括的態様の上記の実施形態のいずれでも、モジュールは、装置に含まれるモジュールの少なくとも1つが故障しても装置全体がポンプまたはタービンとして機能し続けることができるように構成され得る。 In any of the above embodiments of this general aspect, the modules may be configured such that the entire device can continue to function as a pump or turbine even if at least one of the modules included in the device fails.
この概括的態様の上記の実施形態のいずれも、少なくとも2つのモジュールに共有のサポートを提供する制御電子機器をさらに含むことができる。 Any of the above embodiments of this general aspect may further include control electronics that provide shared support for at least two modules.
この概括的態様の上記の実施形態のいずれでも、相互接続した複数のモジュールは、少なくとも3つの相互接続したモジュールを含むことができる。 In any of the above embodiments of this general aspect, the plurality of interconnected modules may include at least three interconnected modules.
そして、この概括的態様の上記の実施形態のいずれでも、各々のモジュールの磁石構造体は、シールされることが可能で、それによって作動流体が磁気デバイスに到達しないようにする。 And in any of the above embodiments of this general aspect, the magnet structure of each module can be sealed, thereby preventing working fluid from reaching the magnetic device.
本明細書に記載の特徴および利点は、包括的ではなく、特に、図面、明細書、および特許請求の範囲の観点から、多くの追加の特徴および利点が当業者には明らかであろう。さらに、本明細書で使用されている言語は、主に読みやすさと説明目的のために選択されており、発明の主題の範囲を限定するものではないことに注意されたい。 The features and advantages described herein are not exhaustive, and many additional features and advantages will be apparent to those skilled in the art, particularly in view of the drawings, specification, and claims. Furthermore, it is noted that the language used herein has been chosen primarily for readability and descriptive purposes and is not intended to limit the scope of the inventive subject matter.
本発明は、流れが「同心」となる設計であるモジュールとして構成されている「シールレス」モータポンプまたはシールレス発電機タービンである。例として、本発明のポンプの実施形態200を図2Aに示している。図からわかることは、モータコイル212のハウジング204、すなわちステータハウジング204は、モジュールのハウジング218に取り囲まれ、両者の間に環状空間202を形成している。本発明によれば、作動流体は、複数の流路の間または単一の環状流路を通って環状空間202に沿って分散される。作動流体の環状空間202への分散は、ステータハウジング204に対して対称とすることができる。図2Aの実施形態では、環状空間202は、作動流体が入口222から出口224へ流れる環状流路202として機能する。
The present invention is a "sealless" motor pump or sealless generator turbine configured as a module with a flow "concentric" design. By way of example, a
図2Aの実施形態では、環状流路202は、モータコイル212のハウジング204と直接熱接触している。この構成は、作動流体が比較的低温の用途に適している。図示した実施形態では、作動流体は、ロータ206によって、モジュールのモータコイルハウジング204の外側に沿って環状流路202を通過するように誘導され、その結果、モータコイル212は、ロータ206の排出によって直接冷却され、別個の専用の冷却流体を必要としない。
In the embodiment of FIG. 2A,
実施形態では、本発明の同心設計は、自己完結型で極めて小型のモジュールとして実現され、このモジュールは、図2Aに示したように単独で使用するか、図2Bに示したように多段のポンプまたはタービンを形成するために複数の同じモジュールを組み合わせて使用することができる。このモジュール式の手法により、装置の設計、操作、およびメンテナンスに余計な複雑さや煩雑さが加わることなく、設計を任意の段数に拡張することが可能になる。特に、段数が多くても、シャフトのサイズ、シャフトのたわみ、回転力学、ベアリングの負荷、モータの並び、または段どうしの並びに関していかなる問題も生じない。 In embodiments, the concentric design of the present invention is realized as a self-contained, extremely compact module that can be used alone, as shown in Figure 2A, or as a multi-stage pump, as shown in Figure 2B. Or multiple identical modules can be used in combination to form a turbine. This modular approach allows the design to be expanded to any number of stages without adding additional complexity or complexity to the design, operation, and maintenance of the device. In particular, the large number of stages does not create any problems with respect to shaft size, shaft deflection, rotational dynamics, bearing loads, motor alignment, or stage alignment.
さらに詳細には、図2Bは、2段ポンプの実施形態220を示しており、各段200のモータ212の中心軸は、ロータ206が回転する中心である据え付けのシャフト208と実質的に同一線上にあり、それによってロータ206から来るプロセス流体は、各段200のステータハウジング204とポンプハウジング218との間に形成された環状流路202を通ってステータハウジング204の外側を軸方向に流れる。説明の便宜上、図2Bには2つの段200のみを示しているが、任意の段数のポンプ200に実施形態を拡張できることが理解されるであろう。
More particularly, FIG. 2B shows a two-stage pump embodiment 220 in which the central axis of the
いくつかの多段の実施形態では、各段200のロータ206は、各段200のロータ速度を別々に制御できるように独立して駆動される。例えば、別個の可変周波数ドライブ(「VFD」)216を、ポンプの各段200の制御専用にすることができる。
In some multi-stage embodiments, the rotors 206 of each
図2Bの実施形態では、ポンプ220の各段200で、複数の永久磁石210がロータ206の後ろ側に直接装着され、ロータ206が回転したときに、隣接するステータ212の電磁コイル212の近くを通過させられる。他の実施形態のロータ206は、ポンプまたはタービンの動作中にステータの電磁石212によって電流が誘導される「かご形」ロータコイルなどの非永久磁石210を利用する誘導モータを含む。これによりトルクが電磁石モータコイル212からロータ206に直接伝達されるか、または電磁エネルギーがロータから発電機コイルに伝達され、シャフトの回転を利用することがない。実施形態では、モータコイル212は、静的なシール方法(図示せず)を用いて作動流体からシールされ、それによって動的な機械的シールの必要性がなくなり、そうしなければそこから生じるであろう位置合わせ、漏れ、および/またはメンテナンスの問題を回避する。
In the embodiment of FIG. 2B, in each
図2Bの実施形態では、各段のロータ206の軸方向および半径方向の位置決めは、製品潤滑ベアリング214によって行われる。各ロータの段200に個別のベアリング214を使用することにより、各段200のベアリング214を、その段からの負荷のみを扱うように設計でき、多段構成220で合わさった段の負荷からベアリングに過負荷がかかる危険性は完全になくなる。実施形態においてベアリング214の潤滑剤として作動流体を使用することで、外部の油潤滑システムの必要性がなくなり、全体的なポンプの設計およびメンテナンスが大幅に簡易化される。
In the embodiment of FIG. 2B, axial and radial positioning of each stage of rotor 206 is provided by product lubricated bearings 214. By using individual bearings 214 for each
図2C~図2Eはそれぞれ、図2Bとほぼ同じ実施形態のロータアセンブリの1つの側面分解断面図、分解斜視図、および分解斜視断面図である。図示した実施形態では、磁石210は、磁石構造体252に含まれ、磁石構造体は、磁石の「地鉄」236および磁石構造体のカバープレート238をさらに含む。組み立てられた磁石構造体252は、ロータ206に設けられた環状キャビティ240に設置される。 2C-2E are an exploded side sectional view, an exploded perspective view, and an exploded perspective sectional view, respectively, of one of the rotor assemblies of substantially the same embodiment as FIG. 2B. In the illustrated embodiment, the magnet 210 is included in a magnet structure 252 that further includes a magnet "base" 236 and a magnet structure cover plate 238. The assembled magnet structure 252 is installed in an annular cavity 240 provided in the rotor 206.
図2Fおよび図2Gはそれぞれ、図2B~図2Eの実施形態のステータアセンブリの1つの正面斜視図および側面斜視図である。ステータコイル(図示せず)は、コイルキャビティ250内のフォーム242に巻かれ、ステータカバープレート244で覆われる。コイル212からの電気リードは、コイルキャビティ250の内部からポンプまたはタービンハウジング200にシールされたステータ後部フランジを通って延在する電気ポート246を通って誘導される。実施形態では、ステータコイル212は、コイルキャビティ250内で注封される。
2F and 2G are front and side perspective views, respectively, of one of the stator assemblies of the embodiment of FIGS. 2B-2E. Stator coils (not shown) are wrapped in foam 242 within coil cavity 250 and covered with stator cover plate 244 . Electrical leads from the
図2Aなどのいくつかの実施形態では、各段のロータ206は、回転シャフト208に固定されている。図2Bなどの他の実施形態では、各段のシャフト208は、ロータ206のハブを通って挿入され、モータまたは発電機のコイルハウジング204に固定され、ロータ206は、シャフト208周りに、例えばベアリング214上で回転する。この手法により、特別な工具がなくても簡単に組み立ておよびメンテナンスがしやすくなる。同様の実施形態では、シャフト208はねじ切りされるか、そうでなければポンプまたはタービンのモジュールハウジング218によって、またはポンプまたはポンプのモジュールハウジング218とモータまたは発電機ステータハウジング204との任意の組み合わせによって支持される。
In some embodiments, such as FIG. 2A, each stage of rotor 206 is fixed to a
特定の実施形態は、ロータとステータの構成が逆になっているモジュール200を含み、これによってロータ206とステータ212の両方が、互いに反対方向に独立して回転できる。いくつかの実施形態は、複数のロータ206を含み、このロータは、共通の固定シャフトまたは回転シャフト208に固定され、ステータおよび/または個別に回転するディフューザと組み合わされている。これらの実施形態のいくつかでは、ディフューザは、米国特許出願第15/101,460号の開示と同様の方法で実現され、同文献を参照してその全容をあらゆる目的のために本願に援用する。
Certain embodiments include a
さらに他の実施形態では、シャフト208がなく、代わりに各ロータ206の前方の摩耗リングの隙間が径方向および軸方向の主要ベアリングとして作用する。これにより、トルクがモータの電磁石ステータコイル212からロータに直接伝達されるか、電磁エネルギーがロータ206から発電機のコイル212に伝達され、回転シャフトを使用することはない。
In still other embodiments, there is no
図2Hは、図2Aとほぼ同じ環状流路を有する実施形態の簡易断面図であり、この断面は、モータの主軸に垂直なポンプモータコイル212を通って切り取られている。
FIG. 2H is a simplified cross-sectional view of an embodiment having substantially the same annular flow path as FIG. 2A, with the cross-section taken through the
図2A~図2Hの実施形態は、比較的低温の作動流体を使用する場合に適しており、環状流路202は、作動流体をモータまたは発電機のコイルハウジング212と直接熱接触させ、それによってモータまたは発電機コイルを冷却する。図2A~図2Hでは、作動流体の80%より多くがモータまたは発電機のコイルハウジング212と熱接触し、モータまたは発電機のコイルハウジング212の少なくとも20%が環状流路202と熱接触している。様々な実施形態では、作動流体の90%より多くがモータまたは発電機のコイルハウジング204と熱接触し、モータまたは発電機のコイルハウジング表面204の少なくとも50%が環状流路202と熱接触している。
The embodiment of FIGS. 2A-2H is suitable when using a relatively cold working fluid, and the
図2Iを参照すると、高温の作動流体が予想されるいくつかの実施形態では、図2Hの設計は、環状流路202とモータまたは発電機コイル212のハウジング204との間に追加で同心層の断熱材228を含めることによって修正される。これらの実施形態のいくつかでは、断熱材228とコイルハウジング204との間に同心の冷却環状通路234がさらに設けられ、この通路を通して水や冷却油などの冷却流体を入口230から出口232に流すことができる。
Referring to FIG. 2I, in some embodiments where high temperature working fluids are anticipated, the design of FIG. Modified by the inclusion of
図2Jを参照すると、他の実施形態では、作動流体は、ステータハウジング204の周に沿った環状空間202内に対称に配置された複数の実質的に同じ流路226どうしの間に分散される。図2Jの実施形態では、流路226は、モジュールハウジング壁218によって形成される。図2Jの実施形態は、図2Iと同様に、断熱材228の同心環状層および同心冷却環状通路234をさらに含む。
Referring to FIG. 2J, in other embodiments, the working fluid is distributed between a plurality of substantially
図3を参照すると、実施形態では、少量の作動流体が、別個の冷却経路300を通って迂回し、そこで冷却され、次にステータハウジング204と熱接触している同心環状冷却通路234を通って流れ、モータコイル212を冷却する。同様の実施形態では、水または冷却油などの別個の冷却流体が、作動流体を迂回させることなく冷却経路300を通って流れる。
Referring to FIG. 3, in embodiments, a small amount of working fluid is detoured through a separate cooling path 300 where it is cooled and then passed through a concentric
様々な実施形態でのモータまたは発電機コイル212の流体冷却により、システムが高温の動作油で動作することが可能になり、作動流体の温度が上がらなくとも、システムがポンプまたはタービン全体でより高い性能限界およびより高い出力密度を実現することも可能になる。 Fluid cooling of the motor or generator coils 212 in various embodiments allows the system to operate with higher temperature working oil, allowing the system to operate at higher temperatures across the pump or turbine without increasing the temperature of the working fluid. It also becomes possible to achieve performance limits and higher power densities.
図4を参照すると、実施形態は、流路が環状である場合は環状流路202内、または流路内の他のいずれかの場所に案内翼400を含む。図示した実施形態では、案内翼400は、モータまたは発電機コイル212の端部で同心流路の区分内のプロセス流体の流れを制御し、その際流路は、モジュールの中心軸に向かって径方向内側に曲がる。案内翼400は、流れが中心軸に到達し、出口224を通って軸方向に流れ出て次の段200に入るまで、流路を複数の別個であるが対称的な経路に分割する。実施形態では、案内翼400は、流路内のプロセス流体をモータまたは発電機ステータハウジング204の極めて近くに誘導する。
Referring to FIG. 4, embodiments include guide vanes 400 within the
案内翼400は、電力ケーブルを、シールされているモータまたは発電機212から流体通路202を通して、ポンプケーシング218から可変周波数制御装置216に配線するために使用できるケーシング壁となることも可能である。実施形態では、案内翼400は、モータまたは発電機コイル212を冷却するための追加の対流表面積をもたらし、かつ/または外部の冷却流体供給源に接続している一体型の冷却通路300に対する空間をもたらすフィンとしても作用する。
Guide vane 400 can also be a casing wall that can be used to route power cables from a sealed motor or
図5は、図2C~図2Gのポンプの外観の斜視図である。 FIG. 5 is a perspective view of the external appearance of the pump of FIGS. 2C to 2G.
図6Aを参照すると、様々な実施形態610では、モータまたは発電機は、設計がモジュール式で、ある特定のモータまたは発電機の設計を複数の異なるポンプまたはタービンの設計に組み入れることができる。図6の例では、モータのロータと協働する複数の磁気デバイス210は、取り外し可能な磁石構造体600に組み込まれ、磁石構造体は、ポンプ200のロータ206に固定でき、そこから取り外せる。磁石構造体600をロータに装着するのは、磁石構造体600をロータに対して軸方向と回転方向の両方で拘束することができる先行技術で公知のなんらかの手段によって可能である。いくつかの実施形態は、磁石構造をロータにねじ込んで装着する部品を含み、この部品が、磁石構造を軸方向と回転方向の両方で拘束する。図6の実施形態では、磁石構造体600は、ボルト602によってロータ206に装着され、このボルトが磁石構造体600をロータ206に対して軸方向と回転方向の両方で拘束する。
Referring to FIG. 6A, in various embodiments 610, the motor or generator is modular in design, such that a particular motor or generator design can be incorporated into multiple different pump or turbine designs. In the example of FIG. 6, the plurality of magnetic devices 210 that cooperate with the rotor of the motor are incorporated into a removable magnet structure 600 that can be secured to and removed from the rotor 206 of the
図6Aの実施形態は、シールされた導管となる電気ポート608(図6Hを参照)をさらに含み、この導管は、ステータコイル212が入っているステータハウジング204内のコイルキャビティ250からモジュールハウジング218の後部フランジ248を通って延在し、それによってステータコイル212とポンプ200の外部環境との間に電気リード606および/または制御線が延在する通路ができる。モジュールハウジング218は、後端がボルト締めされてシールされているフランジ248を有していることが図からわかる。フランジ248は、雌型ソケット604を有し、このソケットの中に電気ポート608が挿入され、このソケットとともに電気ポート608はOリングシールを形成する。
The embodiment of FIG. 6A further includes an electrical port 608 (see FIG. 6H) that provides a sealed conduit from the coil cavity 250 in the
実施形態では、ステータコイルが入っているモータまたはタービンの磁石構造体600および/またはステータ部分204は、モジュール式で、完全にシールされているため、互いに近いポンプまたはタービンのハウジング200に機械的に装着する必要があるだけである。様々な実施形態では、本発明のシールされているモジュール式の磁石構造体600および/またはシールされているモジュール式のステータアセンブリ204は、異なる組み合わせで実現でき、新しいポンプまたはタービンモジュールを設計するたびに磁石構造体600および/またはステータアセンブリ204の新たな具体例を構成する必要がなくなる。
In embodiments, the motor or turbine magnet structure 600 and/or
図6Bは、組み立てられた状態で示した図6Aのロータ206および磁石構造体600のうちの1つの拡大断面図である。図6Cは、図6Bのロータ206および磁石構造体600の断面分解図である。図6Dおよび図6Eは、図6Bのロータ206および磁石構造体600の正面分解斜視図および背面分解斜視図である。図6Fは、図6Aのステータアセンブリの1つを正面から見た拡大分解斜視図であり、ポンプハウジングの後部フランジ248との関係で示している。プロセス流体の出口流路に位置している案内翼400は、後部フランジ248に固定されていて、モジュールの後部プレート244は、内部を見せるために取り除かれていることがわかる。図6Gは、後部プレート244が所定場所で溶接され、それによってシールされているステータモジュールを完成させている点を除いて図6Fと同じである。図6Hは、図6Gのステータアセンブリの後部から見た拡大分解斜視図である。ステータコイルリード606の導管として機能する電気ポート608は、図にはっきりと見えている。図6Iは、図6Aのポンプ610を完全に組み立てたものの斜視図である。 FIG. 6B is an enlarged cross-sectional view of one of the rotor 206 and magnet structures 600 of FIG. 6A shown in an assembled state. FIG. 6C is a cross-sectional exploded view of the rotor 206 and magnet structure 600 of FIG. 6B. 6D and 6E are front and rear exploded perspective views of the rotor 206 and magnet structure 600 of FIG. 6B. FIG. 6F is an enlarged front exploded perspective view of one of the stator assemblies of FIG. 6A, shown in relation to the rear flange 248 of the pump housing. It can be seen that the guide vane 400 located in the process fluid outlet flow path is secured to the rear flange 248 and the module rear plate 244 has been removed to reveal the interior. FIG. 6G is the same as FIG. 6F except that rear plate 244 is welded in place, thereby completing the sealed stator module. FIG. 6H is an enlarged exploded perspective view from the rear of the stator assembly of FIG. 6G. Electrical ports 608, which serve as conduits for stator coil leads 606, are clearly visible in the figure. FIG. 6I is a perspective view of the pump 610 of FIG. 6A, fully assembled.
図7Aは、図6A~図6Hのポンプと大幅に異なる4モジュールポンプの設計700の斜視図である。図7Bは、図7Aのポンプの単一のモジュール708の断面図であり、図7Cは、図7Bのモジュール708の分解断面図である。図からわかることは、図示した設計にはディフューザ702が含まれていること、そして後部フランジ248、ポンプロータ206、ステータハウジング204およびポンプハウジング218はすべて、図6A~図6Hに示した設計とはかなり異なっているということである。それにもかかわらず、図7A~図7Cのポンプ700は、図6A~図6Hに含まれているものと本質的に同じモジュール式のモータ構成要素を内蔵している。唯一の小さな相違は、図示した実施形態では、磁石構造体600を軸方向に拘束するためにスナップリング704が使用され、磁石構造体600を回転方向に拘束するためにピン706が使用されているという点である。ただし、設計をわずかに変更するだけで、図6A~図6Hのように磁石構造を拘束するためにボルトを使用することができることは自明である。
FIG. 7A is a perspective view of a four module pump design 700 that differs significantly from the pumps of FIGS. 6A-6H. 7B is a cross-sectional view of a single module 708 of the pump of FIG. 7A, and FIG. 7C is an exploded cross-sectional view of the module 708 of FIG. 7B. It can be seen that the design shown includes the diffuser 702, and that the rear flange 248, pump rotor 206,
図2B、図4、図6Aおよび図6Hには、ポンプモジュール200を2つしか示していないが、図7のポンプ700は、モジュールを5つ含んでいる。概して、実施形態では、開示したポンプまたはタービンの段200は、ポンプまたはタービン200設計、動作、およびメンテナンスに余計な複雑さや煩雑さが加わることなく、いくつでも直列に組み合わせることができることが容易にわかる。特に、開示した設計に従って段数が増えても、シャフトのサイズ、シャフトのたわみ、ロータの力学、ベアリングの負荷、モータの並び、または段200どうしの並びに関していかなる問題も生じない。
Although only two
特定の実施形態は、2つ以上の段どうしで共有される駆動電子機器を少なくともいくつか含む。例えば、いくつかの実施形態では、AC電力は、一般的な一連の大型電子機器によってDC電力に変換され、必要に応じて個々のポンプまたはタービンの段に分配される。他の実施形態は、複数の可変周波数ドライブ(「VFD」)216を含み、これらの実施形態のいくつかでは、ポンプまたはタービンの各段200のモータまたは発電機コイル212は、専用のVFD216または他のコントローラによって独立して制御される。これらの実施形態のいくつかにおける重要な利点の1つは、低い正味吸込みヘッド(「NPSH」)およびオフピーク状態に対応するために、第1の段がポンプのそれ以外の部分よりも低速で実行できることである。いくつかの用途では、最終段のみの速度を変更することが、出力の圧力および/または流れを正確に制御するのに有用な手法となる。
Certain embodiments include at least some drive electronics that are shared between two or more stages. For example, in some embodiments, AC power is converted to DC power by a common set of heavy-duty electronics and distributed to individual pump or turbine stages as needed. Other embodiments include multiple variable frequency drives (“VFDs”) 216, and in some of these embodiments, the motor or
各段200に個別のVFDドライブ216を設けることは、フェイルセーフの冗長性としての役割を果たすこともでき、それによって、1つの段が故障しても残りは動作し続け、ポンプは機能し続ける。ポンプ段が故障した後に継続する機能は、揚程および流量が少ないことがあるか、故障した段の揚程および流量の損失を補償するために残りの段の速度を上げることができる。この手法では、オペレータが段の故障に気付いた後にシステムを安全に運転停止する時間ができるまで、可能性として少ない揚程および流量でポンプが作動し続けるという故障シナリオを作成する。それとは対照的に、従来のポンプまたはタービンの1つの段が故障すると、通常はポンプまたはタービン全体が故障し、パフォーマンスが完全に失われ、システムが突然制御不能な状態で運転停止する。
Providing individual VFD drives 216 for each
図2Aの実施形態では、モータは、ロータの周に沿って取り付けられた永久磁石を含む径方向モータだが、図示した他の実施形態は、ロータ206の背面の後ろに配置されている永久磁石210を組み込んでいるディスクまたは「パンケーキ」スタイルのロータ206を含んでいる。他の実施形態では誘導モータが使用される。いくつかの実施形態は、ポンプ段200の同期動作速度が3600rpmより上に上昇することを可能にする可変速度ドライブを含む。
In the embodiment of FIG. 2A, the motor is a radial motor that includes permanent magnets mounted around the circumference of the rotor, but other embodiments illustrated include permanent magnets 210 located behind the back of the rotor 206. The rotor 206 includes a disc or "pancake" style rotor 206 incorporating a rotor. Other embodiments use induction motors. Some embodiments include a variable speed drive that allows the synchronous operating speed of
図示した実施形態では、ポンプ段200は、半径流ロータ206を有する遠心設計である。これらの実施形態のいくつかは、特定の速度が最大約2000USユニット、いくつかの実施形態では最大4000USユニット、さらには5000USユニットであるロータを含む。他の実施形態は、径方向の磁束のロータ設計であるポンプ段200を含む。
In the illustrated embodiment,
図示した実施形態では、別個の軸方向ベアリングと径方向ベアリングの代わりに、径方向ベアリングと一方向スラストベアリング214を組み合わせたものを使用する。図示した実施形態は、ロータ206のハブを通って挿入されポンプ段のハウジング218にねじ締めされた据え付けのシャフト208を含み、これによって特別な工具がなくても簡単に組み立ておよびメンテナンスがしやすくなる。適切なVFDドライブ216と共にセンサレスモータを使用することで、図示した実施形態の各段200に対して計装の要件も少なくなる。
The illustrated embodiment uses a combination of radial and unidirectional thrust bearings 214 instead of separate axial and radial bearings. The illustrated embodiment includes a
本発明の特定の実施形態は、ロータとステータの構成が逆になっているモジュール式段200を含み、それにより、ロータとステータの両方が互いに独立して反対方向に回転できる。そして、いくつかの実施形態は、例えばロータおよびディフューザを駆動する別個のモータを用いて、個別に回転するステータおよび/またはディフューザを含む。これらの実施形態のいくつかでは、ディフューザは、米国特許出願第15/101,460号の開示と同様の方法で実現される。
Certain embodiments of the invention include a
先行技術で公知のように、ターボポンプとターボタービンは、物理的設計が酷似していることが多いため、ポンプとタービンとの違いは、構造ではなく主に使用の問題になることがある。したがって、図示した実施形態はポンプだが、タービンまたはポンプに関して本明細書で考察する本発明の特徴は、本文で特に明記しない限り、平等に両者を指すものと理解されたい。 As is known in the prior art, turbopumps and turboturbines are often very similar in physical design, so the difference between pumps and turbines may be primarily a matter of use rather than construction. Thus, although the illustrated embodiment is a pump, features of the invention discussed herein with respect to turbines or pumps should be understood to refer equally to both, unless the text clearly indicates otherwise.
本発明の実施形態の上記の説明は、例示および説明の目的で提示している。本出願の各頁およびその全内容は、その特徴、識別、番号がどのようなものであっても、明細書内の形態または配置に関係なくあらゆる目的で本明細書の核心部分であるとみなされる。本明細書は、網羅的であること、または開示した正確な形態に本発明を限定することを意図するものではない。本開示に照らして、多くの修正および変形が可能である。 The above description of embodiments of the invention has been presented for purposes of illustration and description. Each page of this application and its entire contents, regardless of their character, identification, numbering, form or arrangement within the specification, is considered to be an integral part of this specification for all purposes. It will be done. It is not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise form disclosed. Many modifications and variations are possible in light of this disclosure.
本明細書は限られた数の形態で示されているが、本発明の範囲はこれらの形態のみに限定されるものではなく、その趣旨から逸脱しない限り、様々な変更および修正を受け入れることが可能である。本明細書に提示した開示は、本発明の範囲内に収まる特徴のすべての可能な組み合わせを明示的に開示するものではない。様々な実施形態に関して本明細書に開示した特徴は概して、本発明の範囲を逸脱しないかぎり、自己矛盾しない任意の組み合わせに入れ替え、組み合わせることが可能である。特に、以下の従属請求項に提示した制限は、従属請求項が互いに論理的に両立しない場合を除き、本開示の範囲から逸脱しない限り、任意の数および任意の順序で、それに対応する独立請求項と組み合わせることができる。 Although this specification is shown in a limited number of forms, the scope of the invention is not limited to only these forms, and is susceptible to various changes and modifications without departing from the spirit thereof. It is possible. The disclosure presented herein does not explicitly disclose all possible combinations of features that fall within the scope of the invention. The features disclosed herein with respect to the various embodiments can generally be substituted and combined in any consistent combination without departing from the scope of the invention. In particular, the limitations set forth in the following dependent claims may apply to the corresponding independent claims in any number and in any order, unless the dependent claims are logically incompatible with each other and do not depart from the scope of this disclosure. Can be combined with terms.
Claims (26)
前記モジュールの近位端に位置する入口であって、前記モジュールの中心軸にある入口と、
前記モジュールの遠位端に位置する出口であって、前記モジュールの中心軸にある出口と、
前記モジュールを取り囲むモジュールハウジングと、前記モジュールハウジングは、前記モジュールハウジングの後部フランジによって、前記出口に近接して終端され、
前記モジュールハウジング内に懸架されているロータと、
前記ロータの回転を駆動するように構成されている前記モジュールハウジング内のモータ、または前記ロータの回転によって駆動されるように構成されている前記モジュールハウジング内の発電機と
を備え、前記モータまたは発電機は、
シールされているステータハウジング内のステータであって、前記ロータに向けられてる少なくとも1つの電磁石を有するステータと、前記ステータハウジングは、前記モジュールハウジングに対して取り外し可能に、軸方向に、径方向に、回転式に固定され、
軸方向に固定され、前記ロータと回転式に協働するために取り外し可能に拘束されている磁石構造体に組み立てられた複数の磁気デバイスであって、前記ロータが回転すると前記磁石構造体によって前記少なくとも1つの電磁石の近くを通るように構成されている磁気デバイスと、
前記ステータハウジングの周りに対称に分配されている流路と、前記モジュールは、作動流体が前記流路内で前記ステータを流れ去ると前記ステータハウジングの周りに対称に分散されるように、前記作動流体の流れを前記入口から前記流路を経て前記出口へ誘導するように構成され、
前記流路に備えられている複数の案内翼であって、前記後部フランジに固定され、前記流れが前記中心軸に到達し前記出口を通って軸方向に流れ出るまで、前記流路を別個であるが対称的な複数の経路に分割するように構成されている複数の案内翼と、
前記複数の案内翼の1つおよび前記後部フランジに貫通する雌型ソケットと、
導電線がステータコイルから前記モジュールハウジングの外部の装置に向けられ得るシールされた導管を提供するために、前記ステータハウジングから延伸し、前記雌型ソケットに挿入されるように構成されている電気ポートとを備える、モジュール。 A sealless pump or turbine module having an integrated motor or generator, the module comprising:
an inlet located at the proximal end of the module, the inlet being in the central axis of the module;
an outlet located at the distal end of the module, the outlet being in the central axis of the module;
a module housing surrounding the module , the module housing terminating proximate the outlet by a rear flange of the module housing;
a rotor suspended within the module housing;
a motor in the module housing configured to drive rotation of the rotor, or a generator in the module housing configured to be driven by rotation of the rotor; The machine is
a stator within a sealed stator housing, the stator having at least one electromagnet directed toward the rotor; , rotatably fixed ,
a plurality of magnetic devices assembled to a magnetic structure that is axially fixed and removably constrained for rotational cooperation with the rotor, the magnetic devices being assembled to the magnetic structure by the magnetic structure as the rotor rotates; a magnetic device configured to pass near at least one electromagnet;
flow passages symmetrically distributed around the stator housing; configured to direct a flow of working fluid from the inlet through the flow path to the outlet ;
a plurality of guide vanes in the flow path, each of which is fixed to the rear flange and separates the flow path until the flow reaches the central axis and exits axially through the outlet; a plurality of guide vanes configured to divide into a plurality of symmetrical paths;
a female socket extending through one of the plurality of guide vanes and the aft flange;
an electrical port extending from the stator housing and configured to be inserted into the female socket to provide a sealed conduit through which conductive wires may be directed from the stator coil to devices external to the module housing; A module comprising :
前記流路と前記ステータハウジングとの間に挟まれている断熱材、
前記断熱材と前記ステータハウジングとの間に形成されている冷却流体経路
をさらに備え、前記冷却流体経路は、前記ステータハウジングと熱連通し、前記ステータハウジングと前記冷却流体経路を流れる冷却流体との間で熱交換が可能なように構成されている、モジュール。 14. A module according to any one of claims 1 to 13, comprising:
a heat insulating material sandwiched between the flow path and the stator housing;
further comprising a cooling fluid path formed between the insulating material and the stator housing, the cooling fluid path being in thermal communication with the stator housing and communicating with the cooling fluid flowing through the stator housing and the cooling fluid path. A module configured to allow heat exchange between the modules.
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